縱覽過去的十年，得益于統(tǒng)一的行業(yè)標準，IT行業(yè)的技術飛速進步。從最開始的常規(guī)10M網到今天隨處可見的10G高速網，網絡幾乎影響著人們日常生活的每個角落。相比之下，音視頻行業(yè)的發(fā)展卻未盡如人意。為網絡音頻和視頻傳輸設立技術標準，一直是 AV 行業(yè)過去二十年來的目標。迄今為止，由于缺乏行業(yè)公認的網絡標準造成有關空白，令許多制造商各自為戰(zhàn)，開發(fā)專有解決方案試圖填補這一空白。然而付出未必有回報，單一技術無法解決所有數(shù)字音視頻網絡的難題。這些解決方案都不可能成為統(tǒng)一的行業(yè)標準。自2005年AVB問世以來為包括音視頻行業(yè)在內的所有具有實時傳輸需要的應用指明了方向。2012年，AVB網絡正式更名為TSN網絡，從此基于以太網絡的局域網技術步入了新紀元，TSN時間敏感網絡正式取代傳統(tǒng)以太網登上了歷史的舞臺。

　　1） “傳統(tǒng)以太網”的誕生

　　我們通常認為以太網是由鮑勃梅特卡夫（Bob Metcalfe）于1973年提出的。并于1982年（Ethernet V2）投入商業(yè)市場且很快擊敗了與其同期的令牌環(huán)、FDDI和ARCNET等其他局域網技術被全球普遍采用。以太網技術從根本上解決了在局域網內的信息互傳/共享的問題。然而在創(chuàng)建之初，以太網只考慮了一些非實時的靜態(tài)信息。例如：文字和圖片。即便是共享音頻和視頻，但只限于下載和互傳。

　　1982年，第一臺CD機在日本問世。這標志著音視頻從此由純模擬走入了“數(shù)字化”。而1996年由互聯(lián)網工程任務組（IETF）開發(fā)的RTP（Realtime Transport Protocol）則奠定了音視頻在網絡中傳輸?shù)幕A，也就是說音視頻又實現(xiàn)了從“數(shù)字化”進化到了“網絡化”。之后的VoIP正是借用了RTP技術實現(xiàn)了在全球互聯(lián)網上的“網絡化數(shù)字通訊”。

　　由于本文即將闡述“時間敏感網絡”，因此，為了加以區(qū)別，我們將目前大家所熟知的以太網稱為“傳統(tǒng)以太網”。那么究竟“傳統(tǒng)以太網”是如何工作的呢？

　　2） “傳統(tǒng)以太網”的基本原理

　　首先我們先要搞清楚以太網的工作原理。以太網是當今現(xiàn)有局域網采用的最廣泛的通信協(xié)議標準。以太網絡使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測）技術，目前通常使用雙絞線（UTP線纜）進行組網。包括標準的以太網（10Mbit/s）、快速以太網（100Mbit/s）、千兆網（1Gbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網。它們都符合IEEE802.3。（注：bps=bit/s）

　　以千兆網（1Gbit/s）為例：假如說交換機的端口帶寬是1Gbps，則說明每秒可傳輸1000,000,000個二進制的“位”。大家一定要注意以太網中所有的傳輸都是串行傳輸，就是說在網卡的物理端口會在每一個單位時間內“寫入”或是“讀取”一個電位值（0或1）。那么這個單位時間對于1Gbps帶寬來說就是1÷1000,000,000=1ns。如圖一所示：

　　圖一

　　每8個位（bit）相當于1個字節(jié)（Byte）。多個字節(jié)（Byte）可以組成一個數(shù)據(jù)幀。以太網傳輸數(shù)據(jù)是以幀為單位的。以太網規(guī)定每一個數(shù)據(jù)幀的最小字節(jié)是64byte，最大字節(jié)是1518byte。實際上每個數(shù)據(jù)幀之間還會有一個12字節(jié)的間隔。如圖二所示：

　　圖二

　　3） 如何理解網絡帶寬？

　　正確理解網絡帶寬是理解“時間敏感網絡”的前提。我們先舉個例子：如果我們有10個數(shù)據(jù)流（當然每個數(shù)據(jù)流中會有成千上萬個數(shù)據(jù)幀），每個數(shù)據(jù)流的帶寬是100Mbps，那么這10個數(shù)據(jù)流可以通過1Gbps的帶寬嗎？我們可以用圖三來表示嗎？

圖三

　　首先，這種表示方法是錯誤的。因為正如我們前文所說，網絡是串行的，而上圖所表示的方法是并行的。這個例子的正確答案是“不一定”。

　　如圖四所示才是帶寬的正確表示方法。在這里，你應該把1G的帶寬想象成在理想情況下，可以有包含總數(shù)為109二進制位的數(shù)據(jù)幀在1秒鐘通過。通常數(shù)據(jù)幀都不會占用整個帶寬，每一段數(shù)據(jù)流（包含很多的數(shù)據(jù)幀）在單位時間內運行，也就是我們所說的每個數(shù)據(jù)流所占用的帶寬。一定要記住，網絡中所有的數(shù)據(jù)幀都是串行通訊。

　　圖四

　　想通了這個問題，我們假設如果這10個100M的數(shù)據(jù)流能夠頭尾相連，嚴格按時間順序排列如圖五所示，那么答案是：“可以”。也就是說在理想情況下，這10個100M的數(shù)據(jù)流可以在1Gbps的帶寬下順利傳到對端。

　　圖五

　　但大多數(shù)情況下，由于帶寬通常是由多個設備共享的，這也是以太網的優(yōu)勢所在。而且所有的發(fā)送端沒有基于時間的流量控制，那么這些發(fā)送端永遠是盡最大可能發(fā)送數(shù)據(jù)幀。這樣來自不同設備的數(shù)據(jù)流就會在時間上產生重疊，即我們通常所說的沖突。如圖六所示，在這種情況下，答案就是：“不行”。因為所有數(shù)據(jù)流重疊/沖突的部分會遵循QoS優(yōu)先機制進行轉發(fā)，一部分的數(shù)據(jù)包肯定會被丟棄。

　　圖六

　　在IT專業(yè)里有一個不成文的規(guī)定。當某個交換機的帶寬占用率超過40%時就必須得擴容，其目的就是通過提高網絡帶寬來避免擁堵的產生。

　　4） 什么是QoS?

　　QoS（Quality of Service）即服務質量，它提供了針對不同用戶或者不同數(shù)據(jù)流采用相應不同的優(yōu)先級，或者是根據(jù)應用程序的要求，保證數(shù)據(jù)流的性能達到一定的水準。

　　以太網默認的轉發(fā)機制叫做“Best Effort”（盡力而為）。也就是說當數(shù)據(jù)包抵達端口后，本著先入先出的原則轉發(fā)。當網絡的流量稀疏，這本不是一個問題。但在實際環(huán)境中，大量的數(shù)據(jù)包極有可能在一瞬間抵達端口。當然，端口可以在一定程度上緩存并延時轉發(fā)，但我們一方面是不能容忍過大的延時轉發(fā)，另一方面交換機的物理端口緩存也非常小，不可能有效解決大量數(shù)據(jù)包瞬間抵達的問題。這種情況下，我們只能對數(shù)據(jù)中比較重要或是強調實時性的數(shù)據(jù)包進行優(yōu)先轉發(fā)。這就要依靠QoS來對所有的數(shù)據(jù)包進行分類和標注，并依據(jù)規(guī)則來進行較為智能的轉發(fā)。目前市場上較大多數(shù)的需要低延時的實時傳輸采用QoS這一技術。但QoS能否徹底解決網絡擁堵的問題嗎？

　　由于Best Effort的機制，通常具有一定帶寬的一個數(shù)據(jù)流會在每秒中不同時間段傳輸，盡管所占用的帶寬相等，但在每個時間段上的時間節(jié)點卻不同。如圖七所示，這樣在多個數(shù)據(jù)流共存的時候，就會很容易產生帶寬重疊的現(xiàn)象，從而導致丟包。

　　圖七

　　我們所希望看到的是每一個數(shù)據(jù)流都盡可能按照時間順序排序從而有效避免不同數(shù)據(jù)流在同一通道中傳輸時產生重疊，進而提高帶寬的利用率。如圖八所示：

　　圖八

　　我們發(fā)現(xiàn)實時音視頻流恰好是沿等長的時間間隔發(fā)布數(shù)據(jù)的。比如說：一個24比特48K采樣的專業(yè)音頻通道，每個采樣的時間間隔是20.83 ?s。如果我們按照每6個采樣封裝成一個數(shù)據(jù)包，那么每個數(shù)據(jù)包的固定間隔就是125 ?s。每個數(shù)據(jù)包是由兩個部分組成，數(shù)據(jù)報頭（74字節(jié)）+音頻通道采樣數(shù)據(jù)（24字節(jié)X通道數(shù)）。

　　圖九

　　為了避免帶寬重疊，我們所需要做的就是將幾個不同的音頻流進行流量整形（Traffic shaping）。以達到提高可靠交付的目的。這里大家要注意，我指的是流量整形而不是流量控制（Traffic Control）。

　　比如在一個帶寬里，有非實時數(shù)據(jù)和3個實時數(shù)據(jù)流。未經整形的帶寬，極易產生重疊。

　　圖十

　　而經過流量整形每個流所占的帶寬會在同一個時間節(jié)點。所有的非實時流可以見縫插針提高對帶寬的占用率。這就是AVB的基本原理。

　　圖十一

　　AVB不僅可以對發(fā)送端比如各種音視頻設備的網絡端口進行流量整形，還可以對交換機中的每個轉發(fā)節(jié)點進行整形。從而確保每個音視頻流只占用各自相應的帶寬而不對其他數(shù)據(jù)產生影響。

　　由于以太網的發(fā)明時間太早，并沒有考慮實時信息的傳輸問題。盡管RTP能在一定程度上保證實時數(shù)據(jù)的傳輸，但并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機制。因此，想要對所有的數(shù)據(jù)包進行排序，就離不開對數(shù)據(jù)的緩沖（Buffer）。但一旦采用緩沖的機制就又會帶來新的問題—極大的“延時”。換句話說，當數(shù)據(jù)包在以太網中傳輸?shù)臅r候從不考慮延時、排序和可靠交付。這時，建立可靠的傳送機制就成了擺在技術人員面前的首要問題。想要解決這些問題，我們可以簡要概括成以下幾點：

　　1. 必須采用基于MAC地址的傳輸方式即二層傳輸或是基于IP地址UDP的傳輸方式，從而減小數(shù)據(jù)包的開銷以及降低傳輸延時。

　　2. 由于二層傳輸和UDP均不屬于可靠交付，因此必須依靠QoS來“盡可能”保障可靠交付。

　　3. 所有數(shù)據(jù)包需要有“時間戳”（Time Stamp），數(shù)據(jù)抵達后根據(jù)數(shù)據(jù)包頭的“時間戳”進行回放。因此各個網絡終端設備必需進行“時鐘同步”也就是通常所說的時鐘校準。

　　4. 數(shù)據(jù)包被轉發(fā)時需采用隊列協(xié)議按序轉發(fā)，從而盡可能做到低延時。

　　5） 什么是AVB？

　　AVB——以太網音視頻橋接技術（Ethernet Audio Video Bridging）是IEEE的802.1任務組于2005開始制定的一套基于新的以太網架構的用于實時音視頻的傳輸協(xié)議集。它有效地解決了數(shù)據(jù)在以太網傳輸中的時序性、低延時和流量整形問題。同時又保持了100%向后兼容傳統(tǒng)以太網，是極具發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮W絡音視頻實時傳輸技術。其中包括：

　　1. 802.1AS：精準時間同步協(xié)議（Precision Time Protocol，簡稱PTP）

　　2. 802.1Qat：流預留協(xié)議（Stream Reservation Protocol，簡稱SRP）

　　3. 802.1Qav：排隊及轉發(fā)協(xié)議（Queuing and Forwarding Protocol，簡稱Qav）

　　4. 802.1BA：音視頻橋接系統(tǒng)（Audio Video Bridging Systems）

　　5. 1722：音視頻橋接傳輸協(xié)議（Audio/Video Bridging Transport Protocol，簡稱AVBTP）

　　6. 1733：實時傳輸協(xié)議（Real-Time Transport Protocol，簡稱RTP）

　　7. 1722.1：負責設備搜尋、列舉、連接管理、以及基于1722的設備之間的相互控制。

　　AVB不僅可以傳輸音頻也可以傳輸視頻。用于音頻傳輸時，在1G的網絡中，AVB會自動通過帶寬預留協(xié)議將其中750M的帶寬用來傳輸雙向420通道高質量、無壓縮的專業(yè)音頻。而剩下的250M帶寬仍然可以傳輸一些非實時網絡數(shù)據(jù)。用于視頻傳輸時，可以根據(jù)具體應用調節(jié)預留帶寬。比如：750M帶寬可以輕松傳輸高清full HD視覺無損的視頻信號。并且可以在AVB網絡中任意路由。

　　AVB中的802.1AS是1588協(xié)議在二層架構下一種具體實現(xiàn)。是AVB協(xié)議集中最重要的一部分。有關詳細內容，我會在后續(xù)的文章中詳細描述。

　　6） TSN和 AVB

　　很多人聽說過AVB，但對于TSN卻有些陌生。實際上，IEEE 802.1任務組在2012年11月的時候正式將AVB更名為TSN – Time Sensitive Network時間敏感網絡。也就是說，AVB只是TSN中的一個應用。那么TSN究竟有哪些應用呢？

　　第一個應用就是我們的專業(yè)音視頻（Pro AV）。在這個應用領域里強調的是主時鐘頻率。也就是說，所有的音視頻網絡節(jié)點都必須遵循時間同步機制。

　　第二個應用是在汽車控制領域。目前大多數(shù)的汽車控制系統(tǒng)非常復雜。比如說：剎車、引擎、懸掛等采用CAN總線。而燈光、車門、遙控等采用LIN系統(tǒng)。娛樂系統(tǒng)更是五花八門，有FlexRay和MOST等目前的車載網絡。實際上，所有上述系統(tǒng)都可以用支持低延時且具有實時傳輸機制的TSN進行統(tǒng)一管理?？梢越档徒o汽車和專業(yè)的A/V設備增加網絡功能的成本及復雜性。

　　第三個應用是商用電子領域。比如說，你坐在家中，可以通過無線WIFI連接到任何家中的電子設備上，實時瀏覽任何音視頻資料。

　　最后一個應用也是未來最廣泛的應用。所有需要實時監(jiān)控或是實時反饋的工業(yè)領域都需要TSN網絡。比如：機器人工業(yè)、深海石油鉆井以及銀行業(yè)等等。TSN還可以用于支持大數(shù)據(jù)的服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸。全球的工業(yè)已經入了物聯(lián)網（Internet of Things，IoT）的時代，毫無疑問TSN是改善物聯(lián)網的互聯(lián)效率的最佳途徑。

　　圖十二

　　7） AVnu聯(lián)盟（AVnu Alliance）

　　AVnu是一個行業(yè)聯(lián)盟，成立于2009年，一直致力于建立和推廣IEEE802.1音視頻橋接 （AVB）網絡標準。Broadcom、Intel、Cisco、Biamp、Harman均屬于該組織的成員。該組織建立了一整套一致性測試流程從而確保所有基于AVB網絡架構的音視頻設備之間的兼容性和互通性。聯(lián)盟成員一同致力于將TSN標準應用于Pro AV、Automotive、Consumer Electronics以及Industrial。一旦廠家的產品通過了AVnu的嚴格測試，就可以在其產品上使用AVnu的logo。